在神经生理学实验中利用神经元刺激活性触发闭环刺激

Summary

该协议演示如何使用电生理系统进行由神经元活动模式触发的闭环刺激。还提供可轻松针对不同刺激设备修改的示例 Matlab 代码。

Abstract

闭环神经生理学系统使用神经元活动模式来触发刺激，进而影响大脑活动。这种闭环系统已经在临床应用中找到，是基础脑研究的重要工具。最近一个特别有趣的发展是闭环方法与光遗传学的整合，这样神经元活动的特定模式可以触发选定神经元群的光学刺激。然而，为闭环实验建立电生理系统是很困难的。在这里，提供了一个随时应用的Matlab代码，用于根据单神经元或多个神经元的活动触发刺激。此示例代码可根据个人需求轻松修改。例如，它显示了如何触发声音刺激以及如何更改声音以触发连接到 PC 串行端口的外部设备。提出的协议设计用于动物研究（Neuralynx）的流行神经元记录系统。闭环刺激的实现在醒着的大鼠中得到证明。

Introduction

该协议的目的是演示如何在神经生理学实验中实现闭环刺激。神经科学中闭环实验的典型设置涉及基于神经元活动的在线读出触发刺激。这反过来又导致大脑活动的变化，从而关闭反馈^{循环1，2。}这种闭环实验比标准开环设置具有多种优势，特别是与光遗传学结合时，这允许研究人员针对特定的神经元子集。例如，Siegle和Wilson使用闭环操作来研究ta振荡在信息处理^{中的作用3。}他们证明，刺激海马神经元在塔振荡的下降阶段对行为的影响与在上升阶段应用相同的刺激不同。闭环实验在临床前研究也越来越重要。例如，多种癫痫研究表明，癫痫发作时触发的神经元刺激是降低癫痫发作严重程度的一种有效^方法。此外，自动癫痫检测系统和或送^治疗7、8的系统对癫痫^{患者9、10、11、12}显示出显著益处。

Protocol

此处描述的所有程序均根据莱特布里奇大学动物福利委员会批准的动物研究协议进行。

1. 外科

注:用于植入神经生理学记录的探针的手术程序已在其他出版物24、25、26中发表。闭环刺激手术的确切细节取决于所使用的记录探头类型和目标的大脑区域。然而，在大多数情况下，典型的手术将包括以下步骤。

1. 将一个笼子与老鼠一起植入硅胶探头或电极阵列，以记录神经元活动。
2. 用2-2.5%异构物麻醉啮齿动物，并将头部固定在立体框架中。通过观察对轻度触觉刺激的任何运动反应，确保动物在手术过程中^{失去知觉。}
3. 在手术过程中涂抹眼膏以尽量减少干燥。
4. 使用2%氯西丁溶液和70%无丙醇对手术区域进行切除，对皮肤进行消毒。
5. 在将电极植入的大脑区域下，在头皮下注射利多卡因（5毫克/千克）。
6. 使头皮的切口在未来植入物的区域，并使用手术刀和棉签清除外露的^头骨25的骨质。
7. 在颅骨上钻4-8个孔，植入锚螺钉（±0.5毫米）作为

Results

Fisher-Brown挪威大鼠在现场出生和长大，在实验前两周习惯处理。一个记录驱动器被手术植入，类似于前面描述的方法28，29，30，31，32，33，34。使用数字采集系统在32 kHz下记录神经元信号。神经元信号首先被放大，使用统一增益无线头级，然后以增益1000放大，带通被过滤在600至6000赫兹之间。 超过手动设定振幅阈值（通常为48-60 μV）的神经元尖峰被自动保存，然后分类成不同的簇。因此，每个聚类大概对应于来自不同^神经元27的尖峰。对于这个协议演示，大鼠在花盆上休息，在行为实验中休息时，花盆是一个熟悉的休息场所.......

Discussion

此处描述的协议演示如何使用标准神经生理记录系统执行闭环刺激。该协议允许在计算机科学方面拥有有限专业知识的神经科学家以很少的成本快速实施各种闭环实验。这种实验经常是必要的，以研究在大脑的因果关系。

在准备动物并安装软件（步骤 1 和 2）后，闭环实验由两个单独的阶段组成。首先，初始数据采集（步骤3）收集数据，以定义与单个神经元活动对应的模板（即尖峰排序;步骤 3.5）。其次，闭环刺激，其中新记录的尖峰将自动实时分配给预定义的聚类，如果检测到峰值形成指定的神经元，则触发刺激（步骤 4）。提出的Matlab脚本（见补充材料）演示了基于单个神经元的活性和多个选定神经元的活动的不同刺激的触发。后者是一个特别重要的选择，因为神经元被认为是处理信息作为一个程序集（例如，^{数据包35，36）。}因此，基于神经元群体模式的触发刺激可能是回答各种研究问题的关键工具。闭环控制期间的数据流如图3所示。.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Baytril	Bayer，加利福尼亚州密西沙加	DIN 02169428	抗生素;50 mg/mL
Cheetah 6.4	NeuraLynx，图森，亚利桑那州	6.4.0.beta	用于数据采集的软件接口
数字 Lynx 4SX	NeuraLynx，图森，亚利桑那州	4SX	记录设备
Headstage 发射器	TBSI	B10-3163-GK	将神经信号传输到接收器
氟醚	费森尤斯卡比，多伦多，加利福尼亚州	DIN 02237518	吸入麻醉剂
喷射假牙粉 &Liqud	Lang Dental，惠灵，美国	1230	牙科丙烯酸
Lacri-Lube	Allergan，万锦，加利福尼亚州	DIN 00210889	眼膏
Lido-2	Rafter 8，卡尔加里	DIN 00654639	局部麻醉剂;20 mg/mL
Matlab	Mathworks	R2018b	软件，用于信号处理和触发外部事件
Metacam	Boehringer，德国英格翰	DIN 02240463	镇痛药;5 mg/mL
Netcom	NeuraLynx	v1	应用程序编程接口（API），可与猎豹
硅胶探针	Cambridge Neurotech	ASSY-156-DBC2	植入设备
SpikeSort 3D，	亚利桑那州图森市 NeuraLynx	SS3D	尖峰波形到信元分类工具
无线电接收器	TBSI	911-1062-00	将神经信号传输到数字 Lynx